Durchmesser und beschränkte Mengen in metrischen Räumen

Ist (MM,dd) ein metrischer Raum und AMA \subseteq M nicht leer, so heißt
diamA:=supd(x,y)\diam A := \sup d(x, y) für x,yAx,y \in A
der Durchmesser von AA (\infty soll als Wert erlaubt sein). Wir setzen als Konvention diam=0\diam \emptyset=0.
Die Menge AA soll beschränkt heißen, wenn diamA<\diam A<\infty gilt, der Durchmesser also endlich ist.

Satz 5909F (Eigenschaften des Durchmessers)

Für Teilmengen AA und BB eines metrischen Raum gilt:
  1. AB    diamAdiamBA\subseteq B\implies \diam A\leq \diam B
  2. diam(AB)min{diamA,diamB}\diam(A\cap B)\leq \min\{ \diam A, \diam B\}
  3. max{diamA,diamB}diam(AB)diamA+diamB\max\{ \diam A, \diam B\}\leq \diam(A\cup B)\leq \diam A+ \diam B

Bemerkung

In der Sprache der beschränkten Mengen sagt der Satz aus, dass jeder Teilmenge einer beschränkten Menge beschränkt ist, und dass Durchschnitt und Vereinigung beschränkter Mengen beschränkt sind.

Satz 5608J (Durchschnittssatz)

Ist (An)(A_n) mit nNn\in \dom N eine Folge von nichtleeren abgeschlossenen Teilmengen eines vollständigen metrischen Raums (MM,dd) und es gelte
An+1AnA_{n+1}\subseteq A_n und limdiamAn=0\lim \diam A_n = 0,
so enthält nNAn\bigcap\limits_{n\in\domN} A_n genau ein Element.

Beweis

Wir definieren eine Zahlenfolge (an)(a_n) dadurch, dass wir aus jeder Menge AnA_n ein Element auswählen, also anAna_n\in A_n. Nun zeigen wir, dass diese Folge eine Cauchyfolge ist. Wenn ϵ>0\epsilon>0 beliebig vorgegeben ist, dann gibt es wegen limdiamAn=0\lim \diam A_n = 0 ein n0n_0 mit diamAn<ϵ\diam A_n<\epsilon für alle nn0n\geq n_0. Für beliebige nmn0n\geq m\geq n_0 gilt dann anAnAma_n\in A_n\subset A_m und amAma_m\in A_m. Wir erhalten dann d(am,an)diamAm<ϵd(a_m,a_n)\leq\diam A_m<\epsilon, womit gezeigt wäre, dass (an)(a_n) eine Cauchyfolge ist.
Da (MM,dd) vollständig ist, konvergiert (an)(a_n) gegen ein aMa\in M. Für ein beliebiges aber festes n1n_1 gilt: anAn1a_n\in A_{n_1} für n>n1n>n_1 und weil An1A_{n_1} abgeschlossen ist, gilt nach Folgerung 5608H dann aAn1a\in A_{n_1}, womit auch anNAna\in \bigcap\limits_{n\in\dom N} A_n gilt.
Sei jetzt bab\neq a ebenfalls im Durchschnitt enthalten. Dann wäre für ein beliebiges nn aber diamAnd(a,b)>0\diam A_n\geq d(a,b)>0 im Widerspruch zu limdiamAn=0\lim \diam A_n = 0. \qed
 
 

Die ganzen Zahlen hat der liebe Gott geschaffen, alles andere ist Menschenwerk.

Leopold Kronecker

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